Лабораторная работа №3 Монофоническая замена

Частным случаем рассмотренной полиалфавитной замены является так называемая монофоническая замена. Особенность этого метода состоит в том, что количество и состав алфавитов выбираются таким образом, чтобы частоты появления всех символов в зашифрованном тексте были одинаковыми. При таком положении затрудняется криптоанализ зашифрованного текста с помощью его статистической обработки. Выравнивание частот появления символов достигается за счет того, что для часто встречающихся символов исходного текста предусматривается использование большего числа заменяющих элементов, чем для редко встречающихся. Пример монофонического шифра для английского алфавита показан на рис. 1.5. Шифрование осуществляется так же, как и при простой замене, с той лишь разницей, что после шифрования каждого знака соответствующий ему столбец алфавитов циклически сдвигается вверх на одну позицию. Таким образом, столбцы алфавита как бы образуют независимые друг от друга кольца, поворачиваемые вверх на один знак каждый раз после шифрования соответствующего знака.

Рис. 1.5. Монофонический шифр для английского алфавита

Полиалфавитная многоконтурная замена заключается в том, что для шифрования используется циклически несколько наборов (контуров) алфавитов, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения. Этот период исчисляется, как правило, количеством знаков, после зашифровки которых меняется контур алфавитов. Частным случаем многоконтурной полиалфавитной подстановки является замена по таблице Вижинера, если для шифрования используется несколько ключей, каждый из которых имеет свой период применения.

Общий принцип шифрования подстановкой может быть представлен следующей формулой:

R_i = S_i + w  (k - 1),

где R_i - символ зашифрованного текста; S_i - символ исходного текста; w - целое число в диапазоне 0 - (k-1); k - число символов используемого алфавита,  - сложение по модулю 2.

Если w фиксировано, то формула описывает моноалфавитную подстановку, если w выбирается из последовательности w₁, w₂, … w_n, то получается полиалфавитная подстановка с периодом п.

Если в полиалфавитной подстановке п > т (где т - число знаков шифруемого текста) и любая последовательность w₁, w₂, … w_n используется только один раз, то такой шифр является теоретически нераскрываемым, если, конечно, злоумышленник не имеет доступа к исходному тексту. Такой шифр получил название шифра Вермэна.

Лабораторная работа №4 Шифрование методом перестановки

Этот метод заключается в том, что символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока символов. Рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся разновидности этого метода, которые могут быть использованы в автоматизированных системах.

Самая простая перестановка - написать исходный текст задом наперед и одновременно разбить шифрограмму на пятерки букв. Например, из фразы

ПУСТЬ БУДЕТ ТАК, КАК МЫ ХОТЕЛИ.

получится такой шифротекст:

ИЛЕТО ХЫМКА ККАТТ ЕДУБЬ ТСУП

В последней группе (пятерке) не хватает одной буквы. Значит, прежде чем шифровать исходное выражение, следует его дополнить незначащей буквой (например, О) до числа, кратного пяти:

ПУСТЬ-БУДЕТ-ТАККА-КМЫХО-ТЕЛИО.

Тогда шифрограмма, несмотря на столь незначительное изменение, будет выглядеть по-другому:

ОИЛЕТ ОХЫМК АККАТ ТЕДУБ ЬТСУП

Кажется, ничего сложного, но при расшифровке проявятся серьезные неудобства.

Во время Гражданской войны в США в ходу был такой шифр: исходную фразу писали в несколько строк. Например, по пятнадцать букв в каждой (с заполнением последней строки незначащими буквами).

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

П

У

С

Т

ь

Б

У

Д

Е

Т

т

А

К

К

А

К

М

Ы

х

0

Т

Е

Л

И

к

л

М

н

0

П 1

После этого вертикальные столбцы по порядку писали в строку с разбивкой на пятерки букв: 4

ПКУМС ЫТХЬО БТУЕД ЛЕИТК ТЛАМК НКОАП

Вариант этого шифра: сначала исходную фразу записать в столбики:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

П

С

ь

У

Е

Т

К

А

М

х

т

Л

А

В

Д

У

Т

Б

Д

Т

А

К

К

ы

0

Е

И

Б

Г

Е

Потом разбить строки на пятерки букв:

ПСЬУЕ ТКАМХ ТЛАВД УТБДТ АККЫО ЕИБГЕ

Если строки укоротить, а количество строк увеличить, то получится прямоугольник-решетка, в который можно записывать исходный текст. Но тут уже требуются предварительные договоренности между адресатом и отправителем посланий, поскольку сама решетка может быть различной длины-высоты, записывать в нее можно по строкам, по столбцам, по спирали туда или по спирали обратно, можно писать и по диагоналям, а для шифрования можно брать тоже различные направления. В общем, здесь масса вариантов.

Для примера возьмем решетку 6х6 (причем количество строк может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от длины исходного сообщения) и заполним ее по строкам:

Если шифровать по стрелкам (диагоналям) сверху вниз с левого верхнего угла, то в итоге получится такая шифрограмма:

П УУ СДК ТЕКХ ЬТАОА БТКТБМ АМЕВЛ ЫЛГК ИДИ ЕЗ Ж

Для окончательного оформления шифротекст может быть разбит на группы по 6 символов:

ПУУСДК ТЕКХЬТ АОАБТК ТБМАМЕ ВЛЫЛГК ИДИЕЗЖ

Весьма часто используют перестановки с ключом. Тогда правила заполнения решетки и шифрования из нее упрощаются, становятся стандартными. Единственное, что надо помнить и знать, - это ключ, которым может быть любое слово, например, РАДИАТОР. В соответствии с расположением букв в алфавите, буква А получает номер 1, вторая буква А - 2, следующая по алфавиту буква Д - 3, потом И - 4, О - 5, первая буква Р - 6, вторая Р - 7 и буква Т - 8. Заполняем решетку:

Р	А	Д	и	А	т	0	Р
6	1	3	4	2	8	5	7
П	У	с	Т	Ь	Б	У	Д
Е	Т	т	А	К	К	А	К
М	Ы	х	0	Т	Е	Л	и
О

Записываем столбики в соответствии с номерами букв ключа:

УТЫ ЬКТ СТХ ТАО УАЛ ПЕМО ДКИ БКЕ

Затем последовательность опять разбивается на пятерки:

УТЫЬК ТСТХТ АОУАЛ ПЕМОД КИБКЕ

Таким шифром простой перестановки колонок пользовались немецкие секретные агенты во время Второй мировой войны. В качестве ключа они использовали первые буквы строк на определенной странице какой-нибудь обыкновенной книги.

Развитием этого шифра является шифр перестановки колонок с пропусками, которые располагаются в решетке тоже в соответствии с ключом (в нашем случае через 6-1-3-4-2-8-5-7 ... символов):

Р	А	Д	И	А	Т	0	Р
6	1	3	4	2	8	5	7
П	У	с	Т	Ь	Б	=	У
=	Д	Е	Т	=	Т	А	К
К	=	Х	0	=	Т	Е	Л
и	к	Л	М	=	0	П	Р

Шифрограмма будет такой:

УДК Ь СЕХЛ ТТОМ АЕП ПКИ УКЛР БТТО

Из рассмотренных примеров очевидно, что все процедуры шифрования и расшифровки по методу перестановок являются в достаточной степени формальными и могут быть реализованы алгоритмически.